Еремко В. Д.

Інститут радіофізики та електроніки ім. А. Я. Усикова НАН України вул. Академіка Проскури, 12, Харків 61085, Україна fax: 38-0572-441-105; e-mail: eremkatcb.ire.kharkov.ua Кураєв А. А., Синіцин A. K.

Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки вул. П. Бровки, 6, Мінськ 220027, Білорусь тел.: (017) 239-84-98; e-mail: kuravev (<5) _bsuir.unibel.bv


Анотація проведено аналіз досягнень в галузі підвищення вихідної потужності та робочої частоти гірорезонансних приладів (гіротронов і гіроклістронов) традиційних конструкцій. Показано, що радикальне поліпшення вказаних параметрів може бути досягнуто при використанні як електродинамічних систем гірорезонансних приладів многозеркальних резонаторів біжить Т-хвилі.

I. Вступ

З часів створення 40 років тому гірорезонансние прилади зайняли домінуюче становище в якості потужних генераторів і підсилювачів міліметрового діапазону довжин хвиль. Їх унікальні параметри високий рівень вихідної потужності (1 … 1,5 МВт в квазінепреривном режимі), високий ККД (30 … 60%), стабільність фактично ініціювали створення нових напрямків у наукових дослідженнях, техніці і технологіях. Зазначимо лише деякі з них: технологія створення нових композитних матеріалів (діелектричних та металевих); технологічні установки СВЧ нагріву; розігрів на циклотронному резонансі плазми в установках термоядерного синтезу (гіротрони); радіолокація, ППО і ПРО нового покоління наземного і морського базування (гіроклістрони), прискорювачі заряджених частинок (гіротрони і гіроклістрони) і багато інші спеціальні спрямування.

Основними центрами розробок і досліджень гірорезонансних приладів є: Gycom (Росія: Нижній Новгород Москва), CPI (колишній «Варіан», США), Массачузетскій технологічний інститут (США), Мерілендський і Вісконсінський університети (США), JAERI / Toshiba (Японія), Thomson Tubes Electroniques TTE (Франція), СЕА (Франція), Forschungszentrum Karlsruhe (Німеччина), Centre de Recherches en Physique des Plasmas (Швейцарія, Лозанна).

Конструкції розробляються в зазначених центрах гірорезонансних приладів (гіротронов, гіроклістронов, гіро ЛЕВ) традиційні і однотипні в основних вузлах: Магнетронниє гармати (MIG), що формують трубчатий спіраль електронний потік, резонатори, що представляють собою відрізки слабонерегулярного циліндричного або коаксіального хвилеводу, квазіоптичні перетворювач волноводной моди в електромагнітний промінь, колектор з «размазкой» електронного променя на розвиненою бічною стінці. Така традиційна конструкція дозволила досягти досить високих результатів аж до частоти 110-170 ГГц. Ці досягнення висвітлені нижче. Однак при просуванні в область більш високих частот і більш високих потужностей, а також при вирішенні проблем перебудови по частоті з використанням традиційної конструкції гіротронов і гіроклістронов виникають принципові труднощі. Про суть цих труднощів і шляхи їх подолання на базі принципово нової конструкції гірорезонансних приладів із дзеркальними резонаторами біжить T-хвилі повідомляється в даному доповіді.

II. Гіротрони для промислового застосування

Фізичні принципи роботи гірорезонансних приладів: релятивістська поперечна і просторова поздовжня угруповання електронів у пучку, їх взаємозв’язок, управління угрупованням і енергообміну за рахунок формування профілю ВЧ і магнітного полів, вплив сил просторового заряду та інші явища і ефекти докладно описані в монографіях [1 … 4 и др.] і тому в текст доповіді (для його скорочення) не включені, але в усному доповіді будуть представлені в необхідному обсязі.

Рис. 1 Fig. 1

Спрощена схема промислового гіротрона представлена ​​на рис.1. Тут 1 еммітірующій кільцевої поясок катода; 2 перший анод; 3 другий анод; 4 резонатор, утворений нерегулярним хвилеводом, в якому реалізується наростаюче до виходу ВЧ поле, близьке до оптимального розподілу, знайденому в [1 .. 5]; 5-основний електромагніт чи постійний магніт; 6 вихідний хвилеводний трансформатор; 7 вакуумно-щільне вікно виводу енергії; 8,9 водяні сорочки колектора електронів (бічна стінка хвилеводу 6) і резонатора 4. Електрони, еммітіруемого з паска 1 під дією магнітного поля соленоїда 10 і електричного поля першого анода 2 рухаються по квазівінтовим траєкторіях, обертаючись поперечно до силових магнітним лініям і дрейфуючи вздовж них. В області наростання магнітного поля дрейфова швидкість прискорених полем другого анода електронів перетворюється в осциляторний. В області резонатора 4 магнітне поле досягає синхронного значення (циклотронний резонанс).

Для спрощення і зменшення розмірів креслення на схемі рис.1 зроблені наступні спрощення: 1) значно скорочені в порівнянні з реальними розміри області формуванні спіраль трубчастого пучка 1-2-3-4И області осадження пучка на колектор 6, 2) висновок енергії зазначений у вигляді простого волноводного трансформатора, в той час як в сучасних гіротронах частіше використовується двухлучевой висновок енергії з квазіоптичні перетворювачем робочої моди резонатора в гаусів пучок. У таблиці 1 зведені параметри промислових гіротронов, розроблених в Росії, США, Японії [6], що працюють на другій гармоніці циклотронной частоти.

Таблиця 1

Виго витель

Gycom

Росія

CPI

США

Mitsubishi

Японія

Частота, ГГц

30

28

28

Вихідна потужність, кВт

12-15

10

10

Електронний ККД,%

30-32

30-33

30-38

Напруга, кВ

25

30

30-31

Ток пучка, А

1,5-2

1,1

1,1-1,23

Мода резонатора

НО2

НО2

НО2

Потужність живлення магніту, кВт

13,7

5,0

0,05

ККД з урахуванням харчування магніту,%

23

26-29

30-38

Довжина гіротрона, мм

1000

630

1150

Діаметр магніту, мм

315

300

340

Вага гіротрона, кг

18

15,8

50

Вага магніту, кг

79

90

600

Як випливає з наведених даних, потенціал традиційної конструкції в промислових гіротронах далеко не вичерпаний: частоти і вхідні потужності далекі від граничних для такої конструкції; використовується один з найпростіших нижчих типів коливань, проблема селекції мод вирішується досить просто.

III. Супергіротрони для нагріву термоядерної плазми

Виробник

Gycom Росія [7]

JAERTI Японія [6]

EUROOOM-FZK Г Ерманов-Франція [8]

ІПФ РАН Росія [9]

ІПФ РАН IHM Росія-Німеччина (проект)

Частота, ГГц

110

140

170

170

140

140

170

Вихідна потужність, кВт

0,9

0,96

0,74

0,9

1,0

1,1

5

Електронний ККД,%

38…42

40…45

30…45

48

30

30

Технічний ККД (з рекуперацією)

50

50

Напруга, кВ

70…75

70…75

75…80

75

80

90

Ток пучка, А

25…40

28…40

30..40

22…26

40

42

Мода резонатора

Hl9,5,l

Н22Д1

Н25ДОД

Нз1Д1

Н28, 8

Н28Д6

Тип резонатора

порожнистий

порожнистий

порожнистий

порожнистий

коаксіальний

коаксіальний

коаксіальний

Довжина імпульсу, з

2

1,2

3

9,2

10

2

До гіротронам цього класу пред’являються екстремальні вимоги. Дійсно, за даними ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) для розігріву термоядерної плазми потрібні частоти між 140 і 200 ГГц і імпульс тривалістю близько 1000 с і піковою потужністю 100 МВт. Досягнуті на сьогодні параметри супергіротронов для ITER наведені в таблиці 2.

Наведені дані відносяться до попереднього періоду розробок супер-гіротронов. В цих розробках використані всі останні наукові, технічні і технологічні досягнення в галузі електронної оптики, електродинаміки та теплотехніки. Електронна оптика дозволяє формувати трубчасті електронні пучки з дуже малою товщиною Аго по провідним центрам електронних ротаторов (Аго «Х) і малим кутовим розкидом швидкостей електронів; вихідний квазіоптичні трансформатор дозволяє перетворювати хвильову моду в гауссови пучки (звичайно 2 пучка) з високим ККД; вакуумно-щільні вікна виведення енергії виготовляються з алмаза, що дозволяє забезпечити високий рівень щільності електромагнітної енергії, пропускається вікном без руйнування протягом імпульсу; «розмазування» електронного потоку по стінці колектора за рахунок скануючих допоміжних магнітів дозволять значно підвищити рівень розсіюється на колекторі енергії. Однак при досягнутих до цього часу рівнях вихідний потужності і високою робочою частоти вже досить гостро проявляється відоме протиріччя, обумовлене традиційною конструкцією гіротрона: для підвищення потужності електронного пучка при заданому ускоряющем напрузі слід збільшувати площу його поперечного перерізу, а проте за умови Аго «Х це можна зробити тільки за рахунок збільшення радіусу пучка го, а це змушує використовувати дуже високі типи хвиль Hni (N ~ 30, i ~ 10). Але використання таких високих типів хвиль різко ускладнює проблему селекції мод: для відбудови або придушення паразитних хвиль вже доведеться використовувати складові резонатори [10, 11] або неодружені електронні пучки, що навантажують паразитні моди [11].

Таблиця 2

IV. Супер гірокпістрони

Для ППО і ПРО нового покоління наземного і морського базування, для систем стеження за астероїдами, а також для живлення прискорювачів розробляються релятивістські імпульсні гірокпістрони з піковою потужністю в десятки МВт.

Типові дані про параметри розроблювальних супер гірокпістронов наведені в таблиці 3.

В [13] показано, що якщо в конструкції гірокпістрона, параметри якого відповідають другій колонці таблиці 3, замінити другий резонатор, налаштований на першу гармоніку сигналу, резонатором, налаштованим на другу гармоніку і працюю-

Таблиця 3.

Розробник

University of Maryland (UM), U.S.A [61

ГМ. CPI. U.SA [12]

Номер робочої гармоніки

1

1

2

1

Число резонаторів

2

3

2

4 (юакс №

ал)

Напруга, кВ

425

425

457

500

Ток пучка, А

190

195

244

300

Частота, ГГ ц

9,88

9,87

19,76

30

Імпульсна потужність, МВт

24

27

32

50

ККД,%

30

32

29

45

Посилення, Дб

33

36

27

45

Тривалість імпульсу, мс

1,2

1,2

0,8

1,2

щим на моді Н021 (з відповідною оптимальної підстроюванням), ККД цього гіроклістрона може бути підвищений до 47%.

Рис. 2 Fig. 2

При оптимізації розташування цього резонатора і корекції магнітостатіческого поля ККД гіроклістрона може бути підвищений ще до 52%. У тому та іншому випадку підвищення ККД досягається за рахунок істотного поліпшення фазової угруповання електронів внаслідок компенсації перегрупуються дії сил просторового заряду полем резонатора на другій гармоніці робочої частоти.

Недоліком супер-гіроклістрона традиційної конструкції (резонатори відрізки хвилеводу) є неможливість електричної або механічної перебудови смуги підсилення, що необхідно для систем ПРО і ППО нового покоління (смуга посилення супергіроклістрона достатня вузька до 0,5%).

V. Супергіротрони і супергіроклістрони з п’єзоелектричної перебудовою дзеркального резонатора

Основні проблеми супергіротронов і супергіроклістронов можуть бути вирішені при використанні резонаторів біжить Т-хвилі, утворених четирехзеркальной системою відбивачів [14 … 17]. В гіропріборов з такими резонаторами вирішуються такі проблеми.

1) Проблема динамічного розшарування широкого електронного пучка, що обмежує вихідну потужність. У дзеркальному резонаторі поперечна однорідність поля в робочій області забезпечується незалежністю компонент поля Т-хвилі від поперечних (до напрямку поширення) координат, а біжучий структура хвилі зумовлює незалежність процесу фазової угруповання будь-якого з шарів електронного потоку від місця його вітрів в робочу область резонатора.

2) Проблема селекції мод. В резонаторах з поглинаючими або невідбивальним екранами, оточуючими дзеркала, вищі моди не порушуються. Селекція біжать вправо і вліво хвиль вирішується шляхом введення внутрішнього ускоряющего електрода (рис.2). Завдяки поперечному дрейфу електронів через доплерівського ефекту резонансні частоти при заданій індукції магнітностатіческого поля істотно зсуваються. Так, при параметрах, прийнятих в [17] і в нижче наведених варіантах, цей зсув складає при Х = 6 мм 24%, при Х = 3 мм 12%, при Х = 1 мм 4%. Таким чином, якщо одна з хвиль знаходиться в умовах циклотронного випромінювання, то друга в зоні циклотронного поглинання і, отже, не порушується

3) Проблема перебудови частоти генерації та смуги підсилення. Перебудова четирехзеркального резонатора можлива за рахунок переміщення дзеркал. Це переміщення може здійснюватися електрічексім сигналом, подається на пьезодвігателі, механічно пов’язані з дзеркалами резонатора; синхронно повинна здійснюватися підстроювання магнітостатіческого поля.

Схема приладу

Схема приладу без пристрою п’єзоелектричної перебудови резонатора (воно наведено на ріс.З) і магнітної системи зображена на рис. 2: рис. 2, а поперечне, рис. 2, б поздовжнє перетин приладу. Тут 1 плоскі поліровані дзеркала; 2 широкі спіраль електронні потоки; 3 прискорює електрод з не відображає поверхнею (поглинає або шорсткою розсіює); 4 не відображають металеві екрани; 5 катод; 6 колектор.

При розрахунках прийняті позначення та безрозмірні параметри [14]. У схемі приладу на рис. 2 воз-

Можна два варіанти поляризації біжить уздовж

осі х Т-хвилі: вертикальна коли £ складова Т-хвилі ортогональна напрямку спіраль електронного потоку і горизонтальна коли Е паралельна напрямку поширення

електронного потоку. В останньому випадку вектор Е паралельний площині дзеркал і допустима напруженість поля (по ВЧ пробою в вакуумі) значно підвищується.

Оптимальні варіанти гіромонотрона

При оптимізації режимів і параметрів четирехзеркального гіромонотрона використовувалася математична модель, розвинена в [14]. У ній прийняті наступні безрозмірні змінні:

/3() = І0/ С, і0повна швидкість електронів на вході в резонатор, з швидкість світла в порожнечі;,

і_г поперечна швидкість електронів, і поздовжня; F = eBo / m0tJO, Д = їЇ ^ / тоШС ‘, е, т0відповідно заряд і маса спокою електрона, Воіндукція поздовжнього однорідного магнітного поля в області взаємодії, Ет амплітуда біжучої Тволн в iм ​​резонаторі;

На рис.4 зображена експериментальна залежність подовження пьезопакета, зображеного на ріс.З (висота пакета разом з кожухом 80 мм, діаметр30 мм), від керуючого напруги іупр. Максимальне подовження при Uynp 1600 В становить 300 мкм. Таким чином, при т = 8, ДЛ = 0,15 мм. При Л = 3 мм, отже, діапазон перебудови становить 5%, що для багатьох застосувань цілком достатньо. При необхідності збільшити діапазон перебудови для заданої Л досить збільшити число п’єзокерамічних шайб в пьезодвіжітелях.

VI. Висновок

Наведені дані вказують на принципову можливість створення досить високоефективних схем гірорезонансних приладів із дзеркальними резонаторами біжить Т-хвилі, особливо двохкаскадний і трехкаскадного. Важлива їхня особливість відсутність динамічного розшарування широкого стрічкового ЕП, що відкриває можливості значного підвищення потужності гірорезонансних приладів у НВЧ і КВЧ діапазонах.

Важливою властивістю гіротронов з дзеркальними резонаторами є показана можливість електричної перебудови частоти за допомогою пьезодвіжітелей і синхронно подстраиваемой магнітного поля допоміжного електромагніту. Ця властивість відкриває нові галузі застосування гіротронов і гіроклістронов в системах радіолокації і радіопротидії нового покоління.

VII. Список літератури

0. Кураєв А. А., Ковальов І. С., Колосов С. В. Чисельні методи оптимізації в задачах електроніки НВЧ.

Мн.: Наука і Техніка, 1975. – 296 с.

1. Кураєв А. А. Теорія і оптимізація електронних приладів НВЧ. Мн.: Наука і Техніка, 1979. – 334 с.

2. Кураєв А. А. Потужні прилади НВЧ. Методи аналізу та оптимізації параметрів. М.: Радіо і зв’язок. 1986. – 208 с.

3. Кураєв А. А., Байбурин В. Б., Ільїн Е. М. Математичні моделі і методи оптимального проектування НВЧ приладів. Мн.: Наука і Техніка, 1990. – 392 с.

4.    Kolosov S. V. and Kurayev A. A. Radio Engng. Electron. Phys., 1974, v. 19, pp. 65-73.

5.    Felch K.L., Danly B.G., Jory H.R. Kreischer K.E.,

Lawson W.. Levush S., Temkin R.J. Proc. Of the IEEE,

1999, v. 87, № 05, pp. 752-780.

6. Мясников В. E., Агапова М. В., Ільїн В. М. та ін Радіотехніка, 2000, № 2, с. 87-71.

7.    Dammertz G.. Albertis.. Arnold A. et. al. Third IEEE International Vacuum Electronics Conference, U.S.A. April 23-25, 2002, pp. 330-331.

8.    PavelyevA. S., Flagin V. A.. Khizhnak V. /., Manuilov V. N.. Zapevalov V. E. MSMW2001. Symposium Proceedings, Kharkov, Ukraine, June 4-9, 2001, pp. 507-512.

9.    Kurayev A. A.. Shevchenko F. G. and Shestakovich V. P. Radio Engng. Electron. Phys., 1974, v. 19, pp 96-103.

10.  Zapevalov V. E. MSMW2001 Symposium Proceedings Kharkov, Ukraine, June 4-9, 2001, pp. 117-122.

11. Blank М.. Borchard P.. Cauffman S.. Felch K.. Mizuchara Y.M.. Lawson W. Third IEEE International Vacuum Electronics Conference, USA April 23-25, 2002, pp. 85-86.

12.  Kurayev A. A.. Kolosov S. V. IEEE Electron Device Letters. 1997, v. 1, No 6, pp. 254-257.

13. Кураєв А. А. Доповіді АН УРСР, 1990, т. 34, № 7, с. 610-612.

14. Кураєв А. А.. Рудницький А. С.. Слепян А. Я.

A.C.SU № 1776 155A1 H01 J25/00 від 20.08.1990.

15. Колосов С. В.. Кураєв А. А. Радіотехніка та електроніка, 1996, т. 41, № 1, с. 96-99.

16. Кураєв А. А., Синіцин А. К. Матерікли КриМіКо’2002. Севастополь: Вебер, с. 176-178.

THE STATE, ADVANCE AND OUTLOOK OF HIGH FREQUENCY GYRODEVICES

Yeryomka V. D Usikov Institute of Radiophysics & Electronics

NAS of Ukraine

12,        Akad. Proskura St., Kharkov 61085, Ukraine FAX: 3-0572-441-105 E-mail: eremka&jre.kharkov. ua Kuraev A. A., Sinitsyn A. K.

Belarus State University of Informatics and Radioelectronics P. Brovka St., 6, Minsk 220027, Belarus Tel. (0172) 39-84-98,

E-mail: kuravey@.bsuir.unibel.bv

Abstract The analysis of advances in area of increase of output power and operating frequency of gyrodevices (gyrotrons and gyroklystrons) of traditional designs had been carried out. It is shown that radical improvement of this parameters may be achieved in multi-mirror resonators with T-travelling wave gyrotrons.

I.  Introduction

The main problem at rise of gyrotrons power in HF band is the dynamic stratification of electron beam (EB). Using the resonators with travelling wave formed by four-mirror reflecting system may treat this problem. The present paper shows efficiency of twoand three-cascade schemes of such devices on the basis of computer simulation.

II.  The Gyrotrons for industrial application

Parameters of the gyrotrons working on the 2-nd harmonic of cyclotron frequency are resulted in Table 1.

III.    The SuperGyrotrons for heating thermonuclear plasma

The parameters achieved to the modern super-gyrotrons for ITER are resulted in Table 2.

IV.  The SuperGyroklystrons

The typical data on parameters of developed supergyroklystrons are resulted in Table 3.

V.  The Super-Gyrotrons and Super-Gyroklystrons with mirror Resonators of travelling T-wave

The scheme of the devices is represented on Fig. 2: Fig. 2a is transversal, Fig. 2b is a longitudinal section of the devices. Here 1 is the plane polished mirrors; 2 is wide helical EB; 3 is accelerating electrode with non-reflecting surface; 4 nonreflecting metal screens; 5 the cathode; 6 a collector. The initial type of this gyrotron has been proposed by Kurayev [14]. On Fig. 3 the design of the device of frequency change of the mirror resonator is resulted

This design of gyrotron has the following advantages: 1) output power at short wavelength is not restricted because the thick and wide electron beams may be used; effect of dynamic stratification of beam is absent in wide travelling TEM-wave ray of resonator; 2) the angular spread of electron velocity has faint influence on efficiency because field does not depend on z; 3) the electron beam may interact with a few harmonics of cycle frequency at the same time; 4) it is possible to make the recuperation in this design of gyrotron.

VI.  Conclusion

The represented data indicate enough high performance of gyroresonant devices with mirror resonators of a travelling wave, especially concerning cascade schemes. Their important feature is absence of a dynamic stratification of wide EB, which opens possibilities of substantial increase of power of gyroresonant devices in SHF band.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.